專利名稱：一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及制備硫硒化鎘納米材料的裝置，尤其是涉及一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的裝置。
背景技術：
半導體納米材料，包括納米線、納米帶等，因其具有優異的物理特性，被廣泛應用于傳感、激光、波導、光電子器件等領域，受到廣泛的關注。帶隙作為半導體材料的重要參數，直接決定材料的吸收和發光光譜。II-IV族化合物是一種可調的寬帶隙半導體材料，比如硫硒化鎘可以通過改變硫硒兩種元素的比例來調節帶隙，從而獲得單一的半導體材料和二元化合物所無法實現的帶隙寬度。目前這種材料在納米顆粒和薄膜上顯示了它獨特的帶隙可調特性，在一維納米材料上的應用還很少，文獻“A. L. Pan, H. Yang, R. B. Liu, R. C. Yu, B. S. Zou,Ζ. L. Wang,Color-Tunable Photoluminescence of Alloyed CdSxSe1^Nanobelts. J. Am. Chem. Soc. 2005，127，15692-15693”報道已成功合成硫化鎘鋅和硫硒化鎘納米帶， 但是這種方法一次只能合成一種組分的納米材料，獲得連續組份難道很大。最近，文獻 "A. L. Pan,R. B. Liu,Μ. H. Sun,and C. Ζ. Ning, Quaternary Alloy Semiconductor Nanobelts with Bandgap Spanning the Entire Visible Spectrum. J. Am. Chem. Soc. 2009，131， 9502-9503”報道了通過氣相沉積溫度梯度分布合成了在基片上組份連續變化的硫硒化鋅鎘納米帶的方法，即生長基片上的溫度連續變化，導致在不同的位置上生長出的納米材料元素組份和帶隙不同。這種方法可以獲得熒光從紫外到紅色的所有光譜，但每種光譜只能在一根材料上，限制了它的應用，在器件上很難做到真正的連續可調和連續寬光譜。鑒于上述原因，在氣相沉積法生長納米材料的過程中，我們通過連續調節材料的蒸氣濃度比來實現在同一根納米材料上帶隙的單調連續過渡。
發明內容本實用新型的目的是提供一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的裝置。本實用新型采用的技術方案如下一、一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的方法1)在管式高溫爐的石英管內，將鍍金硅片放置在石英片上，石英片放置在管式高溫爐外側靠近真空泵的低溫區，相同質量的硫化鎘和硒化鎘材料分別放置在兩個石英舟中，石英片下方能容納石英舟，硫化鎘石英舟放置在管式高溫爐中間的高溫區，硒化鎘石英舟放置在管式高溫爐外側靠近氮氣進氣口的低溫區，兩個舟之間放置石英棒，硒化鎘石英舟和受直線電機控制的石英棒連接；石英管密封兩端密封，抽真空到IOOPa以下，再通純氮氣到大氣壓，再抽到IOOPa以下，如此往復3 10次以除去石英管中的氧氣，最后保持管內的壓強為60000Pa，氮氣氣流為150ml/min ；2)開始以40°C每分鐘的速度升溫到750 950°C，保持750 950°C 35分鐘，通過金的催化，硫化鎘蒸氣在鍍金硅片上生長出納米帶和納米線。這個過程中只有硫化鎘的生長；3)直線電機以每分鐘0. 1 1厘米的速度把硒化鎘石英舟往高溫爐中間的高溫區推動，同時高溫區的硫化鎘石英舟被石英棒頂出高溫區，這個過程中硒化鎘的蒸氣濃度比例升高，直線電機把硒化鎘石英舟推向管式高溫爐中間的高溫區，同時硫化鎘石英舟從高溫區被頂向石英片下方的低溫區；通過金的催化，硫化鎘和硒化鎘的混合蒸氣在鍍金硅片上生長出納米帶和納米線，這個過程持續20 60分鐘；4)當直線電機把硒化鎘石英舟剛好推到管式高溫爐中間的高溫區時直線電機停止，再繼續保持750 950°C 35分鐘，通過金的催化，硒化鎘蒸氣在鍍金硅片上生長出納米帶和納米線，這個過程中只有硒化鎘的生長；5)關閉管式高溫爐并自然降溫，等高溫爐溫度降到室溫時取出鍍金硅片，得到硫硒化鎘納米線和納米帶。所述步驟2)中當750 780°C對應的制備產物為納米帶；780 950°C對應的制備產物為納米線。二、一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的裝置將石英管安裝在管式高溫爐內，將鍍金硅片放置在石英片上，放置鍍金硅片的石英片用磁鐵吸附于管式高溫爐降溫區石英管的上方，硫化鎘石英舟放置在管式高溫爐中間石英管高溫區的下方，硒化鎘石英舟放置在管式高溫爐外石英管低溫區的下方，硫化鎘石英舟和硒化鎘石英舟間用頂硫化鎘石英舟的石英棒連接，受直線電機控制的石英棒的一端與硒化鎘石英舟連接，受直線電機控制的石英棒的另一端經另一磁鐵與石英管外的直線電機連接；硫化鎘石英舟能從石英片下部通過；石英管兩端用硅橡膠0型圈密封，靠近石英片一端的石英管端面與真空泵連接，另一端的石英管端面與氮氣連接。所述鍍金硅片為長5mm，寬15mm的矩形硅片，用等離子濺射儀或熱蒸發鍍金，鍍金厚度為^im 10nm。所述管式高溫爐為電阻絲加熱的管式高溫爐；安裝在管式高溫爐內的石英管，其內徑為45cm，外徑為50cm，長為1. 5米的石英管。本實用新型具有的有益效果是本實用新型的帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的制備方法適用范圍廣，可以使用硫化鋅代替硫化鎘拓寬光譜到紫外，也可用類似方法制備III-V族帶隙連續變化納米材料。用本實用新型制備方法簡單、低成本，所制備的單根納米材料上硫元素和硒元素的比例可以從1 O連續過渡到O 1，這種納米材料在可調諧激光器、寬帶激光器、白光LED 和寬光譜探測器等領域具有潛在的應用價值。
圖1是制備方法的裝置示意圖。圖2是沿單根納米材料的硒元素含量和帶隙能量的變化曲線。圖中1、管式高溫爐，2、石英管，3、石英片，4、鍍金硅片，5、硫化鎘石英舟，6、硒化鎘石英舟，7、頂硫化鎘石英舟的石英棒，8、受直線電機控制的石英棒，9、磁鐵，10、直線電機。
具體實施方式
以下結合實施例對本實用新型作進一步描述。如圖1所示，本實用新型將石英管2安裝在管式高溫爐1內，將鍍金硅片4放置在石英片3上，放置鍍金硅片4的石英片3用磁鐵9吸附于管式高溫爐1降溫區石英管2的上方，硫化鎘石英舟5放置在管式高溫爐3中間石英管2高溫區的下方，硒化鎘石英舟6放置在管式高溫爐3外石英管2低溫區的下方，硫化鎘石英舟5和硒化鎘石英舟6間用頂硫化鎘石英舟的石英棒7連接，受直線電機控制的石英棒8的一端與硒化鎘石英舟6連接，受直線電機控制的石英棒8的另一端經另一磁鐵9與石英管2外的直線電機10連接；硫化鎘石英舟5能從石英片3下部通過；石英管2兩端用硅橡膠0型圈密封，靠近石英片3 —端的石英管2端面與真空泵連接，另一端的石英管2端面與氮氣連接。上述的管式高溫爐為電阻絲加熱的管式高溫爐中插入一根內徑45cm，外徑50cm， 長1. 5米的石英管，石英管兩端用硅橡膠0型圈密封，密封法蘭上裝有真空規和氣壓控制裝置，真空泵和氮氣供氣系統配合氣壓控制裝置完成氣壓和氣流的穩定。上述的鍍金硅片為長5mm，寬15mm的矩形硅片，用等離子濺射儀或熱蒸發鍍金，厚度在2 lOnm，硅片平整擺放在石英片上，覆蓋從高溫到低溫的過渡區域。上述的放置硅片的石英片為一塊矩形石英片，一端固定磁鐵和石英管上方的磁鐵互吸，使石英片水平吸附在石英管內的上方。上述的直線電機為步進電機驅動的絲桿平移裝置，平移臺上安裝一塊強力磁鐵。上述的推動硒化鎘石英舟的石英棒為一端固定有強力磁鐵，一端有鉤的石英棒。 石英棒放置在管式高溫爐的石英管內，有強力磁鐵的一端和石英管外的直線電機上的磁鐵相互吸引，有鉤的一端扣住石英舟，使得石英舟可以在石英管內跟隨直線電機移動。實施例1 是制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米帶的方法，該方法的步驟如下1.實驗設備為一臺電阻絲加熱的管式高溫爐1，準備好鍍金厚度在IOnm的硅片4， 放置在石英片3上，石英片放置在高溫爐的降溫區，石英片下方能剛好容納石英舟5，硫化鎘和硒化鎘材料各0. 5g放置在石英舟中，硫化鎘石英舟5放置在管式高溫爐的中間，即溫度最高的區域，硒化鎘石英舟6放置在管式高溫爐1外側靠近氮氣進氣口的低溫區，兩個舟之間放置一段石英棒7，硒化鎘石英舟和受直線電機控制的石英棒8連接。以上提到的石英片和石英舟都是放置在管式高溫爐的石英管2內。對石英管密封抽真空到IOPa左右，再通純氮氣到大氣壓，再抽到lOPa，如此往復5次以除去石英管中的氧氣，最后保持管內的壓強為60000Pa，氮氣的氣流為150ml/min。2.開始以40攝氏度每分鐘的速度升溫到780°C，保持780°C 35分鐘，通過金的催化，硫化鎘蒸氣在鍍金硅片4上生長出納米帶。這個過程中只有硫化鎘的生長。3.直線電機10以每分鐘0. 5厘米的速度把硒化鎘石英舟6往管式高溫爐1中間的高溫區推動，同時高溫區的硫化鎘石英舟5被石英棒7頂出高溫區，這個過程中硒化鎘的蒸氣濃度比例升高，直線電機10把硒化鎘石英舟6推向管式高溫爐1中間的高溫區，同時硫化鎘石英舟5從高溫區被頂向石英片3下方的低溫區，通過金的催化，硫化鎘和硒化鎘的混合蒸氣在鍍金硅片上生長出納米帶，這個過程持續60分鐘。[0032]4.當直線電機10把硒化鎘石英舟6剛好推到管式高溫爐1中間的高溫區時直線電機10停止，再繼續保持780V 35分鐘，通過金的催化，硒化鎘蒸氣在鍍金硅片4上生長出納米帶和納米線，這個過程中只有硒化鎘的生長。5.關閉管式高溫爐并自然降溫，等管式高溫爐1溫度降到室溫時取出鍍金硅片4。實施例2 是制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米線的方法，該方法的步驟如下該方法的步驟和制備納米帶的步驟不同的是生長溫度為850°C，其它步驟及參數與實施例1相同。
以上實施方式制備的納米材料長度到百微米量級，納米線的直徑從200nm到 2μπι，納米帶的寬度從200nm到5μπι，厚度小于lOOnm。由圖2看出沿著單根納米帶，硒元素含量和帶隙是單調連續變化的，硒元素從O到100%對應的帶隙為2. 4ev到1. 7ev。
權利要求1.一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的裝置，其特征在于將石英管(2)安裝在管式高溫爐(1)內，將鍍金硅片(4)放置在石英片(3)上，放置鍍金硅片(4)的石英片(3)用磁鐵吸附于管式高溫爐(1)降溫區石英管O)的上方，硫化鎘石英舟(5)放置在管式高溫爐(3)中間石英管( 高溫區的下方，硒化鎘石英舟(6)放置在管式高溫爐(3)外石英管( 低溫區的下方，硫化鎘石英舟( 和硒化鎘石英舟(6)間用頂硫化鎘石英舟的石英棒(7)連接，受直線電機控制的石英棒(8)的一端與硒化鎘石英舟(6)連接，受直線電機控制的石英棒(8)的另一端經另一磁鐵與石英管( 外的直線電機(10)連接；硫化鎘石英舟( 能從石英片C3)下部通過；石英管( 兩端用硅橡膠0型圈密封，靠近石英片 (3) 一端的石英管( 端面與真空泵連接，另一端的石英管( 端面與氮氣連接。
2.根據權利要求1所述的一種帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的制備裝置，其特征在于所述鍍金硅片(4)為長5mm，寬15mm的矩形硅片，用等離子濺射儀或熱蒸發鍍金，鍍金厚度為2nm 10nm。
3.根據權利要求1所述的一種帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的制備裝置，其特征在于所述管式高溫爐(1)為電阻絲加熱的管式高溫爐；安裝在管式高溫爐(1)內的石英管O)，其內徑為45cm，外徑為50cm，長為1.5米的石英管。
專利摘要本實用新型公開了一種制備帶隙單調連續變化的硫硒化鎘納米材料的裝置。在管式高溫爐內，將鍍金硅片放置在石英片上，石英片用磁鐵吸附于管式高溫爐降溫區石英管的上方，硫化鎘石英舟放置在管式高溫爐中間石英管高溫區的下方，硒化鎘石英舟放置在管式高溫爐外石英管低溫區的下方，硫化鎘石英舟和硒化鎘石英舟間用石英棒連接，另一根石英棒的一端與硒化鎘石英舟連接，另一端經另一磁鐵與石英管外的直線電機連接；靠近石英片一端的石英管端面與真空泵連接，另一端與氮氣連接。所制備的單根納米材料上硫元素和硒元素的比例可以從1∶0連續過渡到0∶1，這種納米材料在可調諧激光器、寬帶激光器、白光LED和寬光譜探測器等領域具有潛在的應用價值。
文檔編號B81B3/00GK201942512SQ201020508580
公開日2011年8月24日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者楊宗銀, 童利民, 谷付星 申請人:浙江大學